鱼碳水化合物葡萄糖代谢关键酶与葡萄糖在鱼体内的代谢

       碳水化合物又称为糖类，是自然界存在最多的有机化合物，由碳、氢、氧3种元素组成，由于它含有和水一样的氢氧比例，故被称为碳水化合物。它是生物界三大基础物质之一，为生物的生长、运动、繁殖提供主要能源。食物中的碳水化合物分为动物可以吸收利用的有效碳水化合物(如单糖、双糖、多糖)和不能消化的无效碳水化合物(反刍动物除外，如非淀粉多糖)。

一、葡萄糖代谢关键酶

1.糖酵解途径

催化葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖的关键酶是己糖激酶(HK)和葡萄糖激酶(GK)。此外，丙酮酸激酶(PK)和磷酸果糖激酶(PFK)是糖酵解途径中的限速酶。其中，PFK主要作用是催化6-磷酸果糖形成1-6-二磷酸果糖。虹鳟和大西洋鳕鱼中用14C 标记的葡萄糖进行的实验表明，所给葡萄糖主要部分可以被分解，但由于代谢率低，分解相当缓慢(Brauge等，1995；Hemre等，1997)。这表明在摄入碳水化合物后缺乏对限速酶的一致调节和缓慢的糖酵解速率可能是鱼对葡萄糖利用不足的原因。

2.糖异生途径

催化果糖-1，6-二磷酸生成果糖-6-磷酸和磷酸的关键酶是果糖-1，6-二磷酸酶(FBPase)。葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-pase)是糖异生过程最后一步的关键限速酶，其作用是催化6-磷酸葡萄糖转化生成葡萄糖，该作用主要在肝脏中完成。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)也是糖原异生途径的关键酶之一，作用是催化草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，其活性主要存在于线粒体中。在哺乳动物中，胰岛素可抑制其转录，糖皮质激素、胰高血糖素可诱导其转录。

3.磷酸戊糖途径

磷酸戊糖途径指机体某些组织(如肝、脂肪组织等)以6-磷酸葡萄糖为起始物转化形成6-磷酸葡萄糖酸并进而生成磷酸戊糖为中间代谢物的过程，该过程主要在6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)作用下催化，又称磷酸己糖旁路。磷酸戊糖途径中，一般认为6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD)是关键酶。

4.糖原生成与分解途径

糖原生成由糖原合成酶(GSase)催化，糖原分解由糖原磷酸化酶催化。这两种酶都通过磷酸化和去磷酸化反应被激活(Enes 等，2009)。糖原合成和分解途径同时活跃，糖原磷酸化酶与合成酶比率的任何细微变化都可能决定肝糖原的含量(Pereira 等，1995)。GPase 活性受营养状态、碳水化合物水平及激素调控，但胰岛素对GPase活性的影响并不总是一样的(Polakof等，2010)，而且营养素对GSase的调节作用目前还所知甚少。需要注意的是，过量的糖原沉积会损害肝脏的整体功能。

二、葡萄糖在鱼体内的代谢

Ballantyne(1997)的研究发现，葡萄糖在鱼代谢中的重要性较低。根据推测，葡萄糖代谢在鱼总代谢中的比例至多只占10%左右。特别是作为任务代谢物最大处理单元的鱼肌肉(占总体重50%以上)糖代谢能力较低。虹鳟上的研究发现骨骼肌处理葡萄糖的贡献小于其总葡萄糖转化率的15%(West 等，1994)；大西洋鳕上的研究发现白肌葡萄糖利用率最低(Hemre等，1997)，这些结果与肌肉糖酵解酶活性低有关(Knox 等，1980)。此外，饲料碳水化合物存在及水平对虹鳟肌肉糖酵解酶的基因表达及活性均没有影响(Kamalam 等，2012；Skiba C 等，2013)，表明其缺乏适应血糖水平变化的能力。

不同种类鱼摄食碳水化合物后产生的高血糖症状持续时间并不一样，并且跟鱼的食性相关。肉食性鱼清除糖负荷时间较久，而杂食性鱼则对葡萄糖耐受能力强，杂食性鱼糖酵解和脂肪合成活动通常表现较强并伴随相对弱的糖异生作用(Furuichi 等，1982)。在膳食淀粉增加的诱导下肉食性鱼也有一定加速糖酵解的能力(Bou 等，2014；Nie 等，2015)，但肉食性鱼摄食糖后加速糖酵解的能力弱于杂食性鱼。此外，肉食性鱼糖异生作用高于杂食性鱼，且往往不受膳食条件影响(G6Pase 活性无差异，但FDPase 活性存在差异)。Liu 等(2019)在牙鲆上的研究发现其葡萄糖感应系统对饲料碳水化合物存在一定的适应性，摄食碳水化合物后牙鲆降低血糖的能力增强，而且葡萄糖代谢相关基因如葡萄糖促进转运蛋白2、葡萄糖激酶、肉碱棕榈酰转移酶1b、羟基酰基辅酶a脱氢酶等表达上调，肝脏葡萄糖激酶、丙酮酸激酶和糖原合成酶及肝糖原含量也相应提升。虹鳟上也发现类似的研究结果，即长期喂养或一次富含碳水化合物的饮食都能增强肝脏GK 基因表达(Kamalam等，2012；Panserat等，2001)。总体而言，尽管在肉食性鱼中存在对碳水化合物饮食适应性反应，但其调节葡萄糖稳态的能力存在不确定性(Viegas 等，2013)。因此，肝脏GK 的诱导可能不是限制肉食性鱼利用碳水化合物的因素。此外应注意的是，用植物成分代替海洋动物成分可能会损害大西洋鲑肝脏GK 的反应(Sissener 等，2013)。

在肉食性鱼上碳水化合物供能能力有限，鱼摄食高糖饲料后高血糖时间延长。一方面可能是葡萄糖稳态混乱导致的，主要原因是肝脏葡萄糖磷酸化与葡萄糖-6-磷酸水解两个过程不平衡(Panserat等，2001)；另一方面可能与以下因素有关：①葡萄糖对鱼体运动所需氧化供能贡献小，鱼体内葡萄糖周转率与哺乳动物相比显著降低(Haman等，1996)；②氨基酸刺激胰岛素分泌的作用比葡萄糖大(Mommsen等，1991)；③生长抑素等其他激素抑制胰岛素的分泌(Sher idan等，2004年)；④缺乏抑制内源性葡萄糖生成的作用(Per eira等，1995；Pansert等，2000)；⑤肌肉胰岛素受体水平低(Par rizas等，1994；Navar r o等，1999)；⑥葡萄糖引起的肝脂肪生成较弱(Hemr e等，1997)；⑦葡萄糖转运载体缺乏(Wr ight等，1998)或己糖激酶活性较低(Wil son，1994)等。血糖是葡萄糖摄取和清除差值的结果，葡萄糖稳态通过反馈机制保持血糖稳定。体内不同组织的葡萄糖感应器对血糖浓度进行监控并使机体做出响应，如激素分泌、自主神经系统激活等。鱼的葡萄糖感应器(以虹鳟为例)主要分布在肠道、肝胰脏布氏体、脑中某些神经元及星型胶质细胞中。脑和布氏体中葡萄糖感应器的构成部件主要是葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)、葡萄糖激酶(GK)、ATP敏感性钾通道(KATP)及糖原；在肠道中则主要是Na+依赖性葡萄糖转运载体(SGLT)、GLUT2、GK和KATP等。

对畜禽动物来说，饥饿状态下机体会调动肝糖原快速分解以维持血糖稳定，而在鱼上糖原在此状态下作用有限。鳕鱼(Bl ack等，1986)、鲤鱼(Bl asco等，1992)和拟鲤(Mendez等，1993)上的研究发现饥饿状态下鱼优先使用肝脂供能，其次是肌肉脂肪、肝糖原和肌糖原，最后才是蛋白质。红鲑在产卵洄游过程中则优先使用肌肉蛋白，肝糖原却相对稳定，这意味着洄游过程肌肉蛋白被同时用于供能和提供合成肝糖原的骨架(Mommsen等，1980)。弹涂鱼在饥饿时期也更优先利用肌糖原而非肝糖原(Lim等，1989)。在此，我们必须提出一个问题，对鱼来说是肝糖原转化为葡萄糖的效率较低，还是转化为葡萄糖后转运出肝脏的效率较低？饲料中不同碳水化合物水平条件下肝脏糖原磷酸化酶的表达量变化值得对比研究。此外，糖原在糖原磷酸化酶作用下转变为6-磷酸葡萄糖，后者在葡萄糖-6-磷酸酶作用下再生成葡萄糖。因此，在讨论肝脏糖异生作用时，应综合考虑糖异生不同步骤的关键酶表达量，而不应仅仅关注葡萄糖-6-磷酸酶的活性。

在虹鳟上的研究发现，胰岛素具有其在哺乳动物上的近乎所有生理功能(Pol akof等，2012)，包括降低血糖水平(Pol akof等，2010)、激活IR和Akt(Seil iez等，2011年)、刺激周边组织的葡萄糖摄取(Capil l a等，2004)、通过激活糖酵解减轻葡萄糖氧化应激(Pet er sen等，1987)、促进糖原和脂肪生成(Pol akof等，2011)、抑制糖异生和脂肪酸氧化电位(Pet ersen等，1987；Pl agnes-Juan等，2008；Pol akof等，2010)。这些反应大部分是在肝脏中测定的，肝脏往往表现出对胰岛素的敏感性，而肌肉和脂肪组织对胰岛素的敏感性不强，而且长期的外源胰岛素补充可能导致组织对其敏感性丧失。虽然已经证实氨基酸能够刺激鱼的胰岛素分泌，但不同实验均证明葡萄糖也可以诱导鱼的胰岛素分泌。把鱼的胰岛素细胞移植到糖尿病模型的裸鼠中，发现出现对葡萄糖的积极响应。由以上研究可以推测，鱼对葡萄糖的利用率低可能不是由于缺乏胰岛素分泌导致的。除胰岛素外，还存在一些其他激素可能会调节鱼的葡萄糖代谢，如胰高血糖素对胰岛素起拮抗作用，但在肉食性鱼中他们之间的作用还不明确；胰高血糖素样肽(GLP-1)通过糖原分解和糖异生作用促进葡萄糖产生；胰岛素样生长因子-I(IGF-I)在刺激虹鳟肌肉和脂肪细胞葡萄糖摄取方面比胰岛素更有效(Bour aoui等，2010)；瘦素在激活草鱼糖酵解的同时抑制糖异生(Lu等，2015)等。

Wr ight等(1998)在罗非鱼上只发现葡萄糖转运载体GLUT-1(胰岛素不依赖型)，在哺乳动物细胞中GLUT-1只负责葡萄糖的基础转运，而哺乳动物有的GLUT-4转运蛋白(胰岛素敏感型转运载体)在罗非鱼上却没有发现。在高等脊椎动物中，GLUT4在葡萄糖稳态中起着重要作用，它介导胰岛素促进周围组织葡萄糖摄取的作用。基础状态下，GLUT4位于细胞内，在胰岛素刺激下，GLUT4被吸收到质膜上，允许葡萄糖进入细胞(Br yant等，2002)。褐鳟、鲑鱼和大西洋鳕鱼的心脏、肌肉和脂肪组织中均可发现GLUT4表达(Capil l a等，2004；Hal l等，2006；Pl anas等，2000)。但鱼的GLUT4显示出与已知胰岛素反应性转运蛋白的序列差异性，从而导致其对葡萄糖的亲和力相对较低，而且对胰岛素的刺激反应较弱(Capil l a等，2010)。此外，在金鲳和军曹鱼上的研究也发现饲料碳水化合物反而会抑制肌肉GLUT4的表达(Li等，2019)，虹鳟上的研究也发现了类似的结果(Kamal am等，2013)。这可能是鱼对葡萄糖不耐受的主要原因。此外，鱼肌肉中的胰岛素受体数量非常少，这就导致即使血浆胰岛素水平较高时其在周围组织中也难以发挥最大的作用(Gut ier r ez等，1991；Navar ro等，1999年)。

有研究发现高糖条件下可促进GK催化葡萄糖合成糖原。鱼以糖原形式储存多余碳水化合物的能力受鱼的食性及营养状况影响(NRC，2011)；肝脏是主要的储存部位，其次是红肌、脑和骨骼白肌。肝脏中糖原浓度可以达到200毫克/克，而在白色肌肉中糖原浓度在0.4～2毫克/克。研究发现肝糖原生成在海鲈葡萄糖清除中起着重要作用，其通过将葡萄糖的大部分转化为糖原缓解其葡萄糖不耐受问题(Mar t ins等，2013)。陈林等(2016)在芙蓉鲤鲫的研究中发现试验鱼肌糖原含量随饲料碳水化合物增加而显著上升。刘康(2016)也发现金鲳肌肉中糖原含量显著高于加州鲈，而肝脏糖原含量显著低于加州鲈，而且肌糖原含量增加能够促进肌肉己糖激酶活力增强。可以推测，鱼能否有效将肝糖原转换成肌糖原是其糖类利用能力高低的重要标志。

哺乳动物肝脏脂肪合成酶(FAS)基因表达能够受碳水化合物水平作用而上调，这是细胞对高糖的适应机制，即胰岛素分泌的适应机制。在草鱼上也发现高碳水化合物会促进糖酵解(GK)，同时脂肪酸合成酶(FAS)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC1)基因表达显著上调，脂蛋白脂肪酶和肉碱棕榈酰转移酶1显著下调，从而诱导更多脂肪沉积(Cai等，2018)。但是这种效应可能在不同鱼上有所差异，例如在欧洲海鲈上就发现饲料高淀粉水平能够促进脂肪合成，并形成内脏脂肪沉积，而在亚洲海鲈上这种作用就没有看到(Viegas等，2019)。